תחנת כוח פוטו-וולטאית

תחנת כוח פוֹטוֹ־ווֹלְטָאִית, הידועה גם בשם חווה סולארית, היא מערכת תאים פוטו-וולטאיים בקנה מידה גדול, המאפשרת המרה של אנרגיית קרני השמש לאנרגיה חשמלית, המתווספת לרשת החשמל. יחידות הבסיס של החווה הסולארית הם הפאנלים הסולאריים המוכרים מגגות בתים. החווה נבדלת בקנה המידה שלה כעסק אשר מטרתו לספק חשמל למספר גדול של משקי בית או מפעלים. את ההולכה של האנרגיה החשמלית מספקת רשת החשמל הארצית.

החווה הסולארית שייכת לסוג תחנות הכוח המשתמשות באנרגיות מתחדשות. זאת בניגוד לתחנות הכוח המסורתיות המשתמשות באנרגיית חום הנפלטת משריפת חומרים שונים (נפט, פחם ועוד) כדי להפיק חשמל.

בשנת 1982 נבנתה החווה הסולארית הראשונה בלוגו שבקליפ��רניה, על ידי חברת "ארקו סולאר" (Arco Solar)^[1]. חווה זו סיפקה 1MWp (מגה ואט אחד בתפוקת שיא). שנתיים אחריה, ב-1984, הקימה חברת Topaz את החווה הסולארית ב-Carizzo plains שבקליפורניה^[2], שסיפקה 5.2MWp. חוות אלה היו החלוצות אך הוצאו מכלל שימוש^[3] עקב חוסר יעילות – התחנות לא סיפקו את האנרגיה שהתחייבו לספק, ולא תוכננו להיות עמידות לאורך זמן, כך שהתפוקה שלהן הלכה וירדה.

ההתעוררות הבאה להקמת חוות סולאריות הגיעה רק בשנת 2004, כאשר בגרמניה הוקמו שורה של חוות סולאריות במהלך שנקרא "Feed-in traiff" - מהלך כלכלי של מתן הטבות שונות, והבטחת ערך ליצרני חשמל, באמצעות אנרגיות מתחדשות. מאז, הוקמו בגרמניה יותר מ-50 חוות סולאריות שמספקות יותר מ-10MWp^[4]. חוות כאלו הוקמו גם ב-2008 בספרד, ובעקבותיהן הפכה המדינה למובילה בייצור חשמל על ידי אנרגיות מתחדשות עם מעל 60 חוות סולאריות שמספקות יותר מ-10MWp^[5]. מאוחר יותר הוקמו חוות סולאריות נוספות בארצות הברית, סין, הודו, צרפת, קנדה, איטליה ואחרים. החוות הגדולות ביותר מספקות מאות MWp, ומתוכננים פרויקטים בהיקף של אלפי מגה-וואטים.

החווה הסולארית הראשונה בישראל נבנתה ליד קיבוץ קטורה בנגב בשנת 2011, על ידי חברת ערבה פאוור קומפני, ונקראת "קטורה סאן"^[6]. השדה מורכב מכ-18,500 פאנלים פוטו-וולטאיים על פני 80 דונם. תפוקת החווה היא 4.95MWp. ההספק הממוצע השנתי הוא כ-1MWp.

הפרויקט הגדול ביותר בישראל בתחום האנרגיה הסולארית הוא מתחם אשלים שבנגב, שכולל 4 תחנות כוח בהספק כולל של 250MWp^[7]. שלוש מהתחנות נבנו כבר, ומתוכן אחת היא חווה סולארית (פועלת בשיטה פוטו-וולטאית) - תחנת "אשלים סאן פי וי" שנחנכה בינואר 2018^[8]. התחנה הרביעית שצפויה להיבנות תפעל גם היא בטכנולוגיה זו. עוד צפויות להיבנות חוות נוספות בקיבוץ שדה בוקר בנגב^[9].

מלבד זאת קיימות חברות ישראליות לייצור חשמל באנרגיות מתחדשות, הפועלות בחו"ל. אחת מחברות אלה - חברת "לוז", אחראית להקמת כמה תחנות תרמו-סולאריות בקליפורניה שבארצות הברית^[10]. תחנות אלו נבנו בין 1984 ל-1991, בהספק כולל של כ-350MWp.

בשיטה הסולארית, תפוקת החשמל נמדדת ב"יחידות" מעט שונות: MWp - מגה-וואט בשיא (Megah-Watt peak). יחידת המידה מתארת את ההספק החשמלי (הנמדד ביחידות של וואט, קילו-וואט, מגה-וואט וכן הלאה) המיוצר על ידי החווה הסולארית בתנאים אופטימליים - אוויר נקי, ללא עננים, הארה מקסימלית של השמש, קליטה מקסימלית של הקולט וכולי. ההספק הממוצע בפועל נמוך יותר מההספק הנמדד בMWp, ושקול לפחות או יותר שליש מערך השיא.

השיטה הסולארית נמדדת אל מול השיטות המוכרות – שכוללות שריפת חומרים מתכלים ושימוש באנרגיית החום המתקבלת כדי לחמם מים וליצור קיטור, אשר מניע טורבינות המכילות סליל נחושת ומגנט רב עוצמה, וכך יוצרות זרימה חשמלית.

1. תחנות הכוח מנצלות משאב זמין שאינו מתכלה – אור השמש. בשונה מנפט, פחם או דלקים אחרים – אור השמש תמיד זמין בשעות היום ומהווה מקור אנרגיה יציב, שאין לחשוש שייגמר.
2. אור השמש אינו עולה כסף, כך שעלויות התפעול של תחנת הכוח מצטמצמות אך ורק לעלויות תחזוקה, בניגוד לתחנות הכוח המסורתיות בהן יש עלות קבועה של קניית ושינוע הדלקים.
3. תחנות סולאריות אינן מזהמות את הסביבה, בניגוד לתחנות המסורתיות שפולטות גזים רעילים אל האוויר כתוצאה משריפת הדלקים, ובדרך כלל מזהמות מקורות מים כדי לקרר את מערכת הקיטור בין מחזורי שימוש.
4. התבססות על אנרגיה סולארית מפחיתה את התלות הכלכלית במדינות אחרות, שמהן רוכשים גז, נפט או דלקים אחרים.

1. כדי להפיק כמות מספקת של אנרגיה חשמלית נדרש שטח מאוד גדול של פאנלים סולאריים פרוסים, מאחר שכל הפאנלים צריכים להיות חשופים לשמש. כדי להגיע לכמות האנרגיה שמספקת תחנת כוח מסורתית – יידרש שטח גדול פי כמה וכמה משטחה של התחנה הרגילה.
2. אור השמש אמנם זמין, אך לעיתים הוא מוסתר חלקית או לגמרי בעקבות תנאי מזג אוויר, מה שהופך את מקור האנרגיה של התחנה ליציב פחות.
3. במשך שעות הלילה אין לתחנה שום יכולת להפיק אנרגיה חשמלית, מה שמקטין מאוד את תפוקת האנרגיה הכוללת שלה.
4. באופן כללי תחנות סולאריות מפיקות משמעותית פחות אנרגיה חשמלית מתחנות כוח מסורתיות. תחנת הכוח "אשלים sun-pv", תחנה פוטו-וולטאית שנחנכה בינואר 2018 באשלים מפיקה כ-30 מגה-וואט בשנה. לעומת זאת, תחנת הכוח הפחמית "אורות רבין" שבחדרה מפיקה כ-2590 מגה-וואט בשנה, בערך פי 85.
5. עלות ההקמה של תחנות סולאריות תלויה בהרבה גורמים, בר��שם מיקום גאוגרפי.

תחנת הכוח המכונה "חווה סולארית", פועלת על לוחות פוטו-וולטאיים, כלומר שימוש באפקט הפוטו-אלקטרי בו חומרים מוליכים למחצה מאפשרים את זרימת האלקטרונים כתגובה לאנרגיית הפוטונים. זהו הסוג הנפוץ של הפקת חשמל מאנרגיה סולארית, המוכר כאמור גם מחפצים יומיומיים – כגון שעון יד עם פאנל סולארי.

נוסף לכך ישנו עוד סוג נפוץ יחסית של תחנת כוח סולארית, המכונה תחנת כוח תרמו-סולארית. תחנות אלו מנצלות את אנרגיית החום המובל על ידי קרני השמש, ולא את האפקט הפוטו-אלקטרי. בתחנות אלו ממקדים את אור השמש על ידי מראות מסוגים שונים, כדי ליצור מוקד חום שיומר באמצעים מכניים לאנרגיה חשמלית.

ניתן לראות מס' הבדלים מהותיים בין סוגי התחנות:

• החווה הסולארית מנצלת את ההארה של השמש, והחום הוא תוצר לוואי. בתחנה התרמו-סולארית חום השמש הוא העיקר, וההארה מיותרת.
• החווה הסולארית מפיקה את החשמל בטכנולוגיה שונה משאר תחנות הכוח: יצירת זרם חשמלי מהארה על ידי שימוש באפקט הפוטו-אלקטרי. לעומת זאת התחנה התרמו-סולארית מפיקה אנרגיה בדיוק באותה צורה כמו תחנות הכוח המסורתיות, המשתמשות באנרגיית חום כדי להפוך מים לקיטור, ולהזרים אותו כך שיסובב טורבינות מפיקות חשמל. החידוש שבהן הוא הדרך ליצירת מוקד החום – באמצעות השמש במקום שריפת חומרים מתכלים.
• החווה הסולארית בנויה רובה ככולה מפאנלים סולאריים, לעומת התחנה התרמו-סולארית שבנויה בדר"כ ממראות, ולפעמים מצינורות המכילים שמנים ומלחים כמוליכי חום.
• החווה הסולארית יוצרת את הזרם החשמלי בצורה ישירה – הפקת החשמל מתבצעת בלוחות עצמם, כתגובה ישירה להארת השמש. התחנה התרמו-סולארית לעומתה מפיקה את החשמל ב-2 שלבים: ראשית, יצירת מוקד של אנרגיית חום על ידי חום השמש. שנית, המרת אנרגיית החום לאנרגיה חשמלית.

יתרונות השיטה הפוטו-וולטאית

1. עלות הקמה נמוכה יותר, ועלויות תפעול ותחזוק נמוכות יותר.
2. אין צורך בכוונון של הלוחות הסולאריים, בניגוד למראות בחלק מהתחנות התרמו-סולאריות שצריכות לעקוב אחרי מסלול השמש כדי ליצור חימום יעיל במוקד החום.
3. מאחר שאור השמש מומר ישירות לאנרגיה חשמלית, יש פחות מקום להפסדי אנרגיה בתהליך הייצור.

יתרונות השיטה התרמו-סולארית

1. יכולת לאגור אנרגיה על ידי חומרים מקבלי חום, וכך לספק אנרגיה גם בחלק משעות החשיכה.
2. במרבית המקרים – נצילות אנרגיה גבוהה יותר מתחנות פוטו-וולטאיות. כלומר – יותר אחוזים מאור השמש הופכים לאנרגיה חשמלית בשיטה זו.
3. תחנה תרמו-סולארית יכולה בשעת הצורך להיות מופעלת גם ללא אור שמש – על ידי שריפת דלקים, הודות לדמיון מנגנון ההפעלה שלה לתחנות הכוח המסורתיות.

כאמור, אחד החסרונות הבולטים של ייצור חשמל בשיטה הסולארית הוא חוסר תפקוד בשעות הלילה. זהו חסרון עוד יותר משמעותי עבור תחנת כוח, כיוון ששעות הלילה הן השעות בהן צריכת החשמל בשיאה – תאורה ברחובות ובבתים, חימום מים וכו'. הפתרון הסולארי לבעיה זו הוא – ייצור כמות גבוהה של אנרגיה ביום, ואגירתה לצורך שימוש עתידי בלילה. אמנם, הפתרון הפשוט של אגירת האנרגיה במצברים - אינו ישים לכמויות אנרגיה גבוהות במיוחד, לכן אי אפשר להשתמש בו בתחנות כוח, אלא דרושים פתרונות לאגירת אנרגיה רבה מאוד, למשך מספר שעות.

קיימות מספר שיטות:

דרך אחת לאגור אנרגיה היא בנוזל עם קיבול חום גבוה (משמר חום) – בדרך כלל שמן סינתטי מסוג מסוים: להזרים את הנוזל החם (בשעות הצהריים) סביב חומר שגם הוא בעל קיבול חום גבוה (למשל: גרפיט או בטון). עם פחיתת הקרינה, הנוזל יחל להתקרר, והגוף שקיבל את החום יפלוט אותו לאיטו ויאט את ירידת הטמפרטורה של נוזל שינוע החום. כך הנוזל יישאר חם גם לאחר כמה שעות אל תוך הלילה.

דרך אחרת שמשתמשת בעקרון נוזל משמר חום היא, להזרים את הנוזל בקרבת חומר העובר התכה בעקבות החום. למשל - תערובת של מלחים. נוזל שינוע החום החם (בשעות הצהריים) מוזרם סביב מכלי מלח גדולים. התכת המלחים צורכת חום המגיע מהנוזל החם. בערב, כשהנוזל מתקרר, המלחים מתמצקים, פולטים את החום הכמוס, ומאטים את התקררות הנוזל.

בנוסף קיימות דרכים לאגירת אנרגיה באמצעות שאיבת מים. משתמשים באנרגיה המיוצרת מתחנת הכוח כדי לשאוב מים ממאגר תחתון למאגר עליון. בשעות הלילה, ניתן להשתמש באנרגיה הפוטנציאלית של המים כדי להניע טורבינה ולייצר חשמל בשיטה המסורתית (בעצם – ליצור מפל מים שייצר חשמל בטכנולוגיה הידרו-אלקטרית). שיטה זו אמנם מסורבלת אך יתרונה הוא באגירת האנרגיה למשך זמן בלתי-מוגבל.

הטכנולוגיה עליה מבוסס ייצור החשמל בחווה הסולארית, היא טכנולוגיה של פאנלים סולאריים^[11], המבוססים על האפקט הפוטו-אלקטרי. אלו פאנלים דומים מאוד ל"קולטי השמש" הניצבים על גגות רבים בישראל, שאחראיים לחימום דוד מים. הפאנל הסולארי בנוי מחומרים מוליכים למחצה, בדרך כלל סיליקון שעבר עיבוד מסוים. מחומרים אלה ניתן לייצר מבנה אלקטרוני שנקרא צומת PN, שמתאפיין ביכולתו ליצור זרם חשמלי על ידי תכונות כימיות של החומר. כאשר מעוררים את החומר, על ידי הפעלת מתח חשמלי על הצומת, או חימום, או הארה - האנרגיה מפרידה בין יונים בחומר לבין אלקטרונים חופשיים שנעים במוליך למחצה ויוצרים זרם חשמלי. במילים יותר פשוטות - האור נקלט בפאנל הסולארי, מקנה אנרגיה לאלקטרונים בחומר המוליך למחצה, והאנרגיה הזו מייצרת זרם חשמלי.

נצילות האנרגיה בשיטה זו אינה מיטבית - כ-15% מאנרגיית ההארה שנקלטת בפאנל הסולארי מומרת לזרם חשמלי הלכה למעשה^[11]. אך עדיין - מאחר שאנרגיית אור השמש גבוהה מאוד, גם נצילות כזו מספקת הרבה חשמל.

אחת מהדרכים לייעל את הספק התחנה, מלבד הצבת כמות גדולה יותר של פאנלים סולאריים, היא יצירת מנגנון שמכוון את הפאנלים לאורך היום כך שתמיד יהיו בזווית מיטבית לקליטה מקסימלית של הארת השמש. החסרון במנגנון כזה הוא תוספת משמעותית לעלות הה��מה והתפעול השוטף של החווה הסולארית. חלק ממקימי החוות מעדיפים למקם את החווה באזור חשוף לשמש (בישראל המועמד האידיאלי הוא הנגב), כך שבכל זווית תתקבל הארה משמעותית וכמעט מיטבית, וכך נחסכת עלות המעקב השוטף של הפאנלים.

מעבר לתחנות הכוח בהן עוסק הערך, קיימת בישראל אפשרות לכל צרכן פרטי להפוך ליצרן חשמל קטן, באמצעות פאנלים סולאריים המותקנים על גג הבית, מחסן, או אף בשטח פרטי ללא מבנים. חברת החשמל בישראל מעודדת שימוש באנרגיות מתחדשות על ידי מכרזים ליצרנים פרטיים^[12], ופטור מתשלום עבור רכיב הייצור ליצרנים פרטיים המשתמשים באנרגיות מתחדשות^[13]. החשמל המסופק מהיצרן הפרטי משמש קודם כל לאותו משק בית - וכך הוא נהנה מאספקת חשמל חינם בזמן שיש חפיפה בין צריכת החשמל הפרטית לייצור החשמל הפרטי, ובמקרה שמיוצרים עודפים - המערכת מחוברת לרשת הארצית ולמעשה חברת החשמל רוכשת את ההספק החשמלי העודף מהצרכן הפרטי לפי התעריף שנקבע בחוזה ביניהם.

• פורום האנרגיה של מוסד שמואל נאמן, הטכניון, חשמל מאנרגיה סולארית בישראל - סיכום והמלצות דיון פורום האנרגיה מס' 30, ‏24.12.2013

• מידע בנושא אנרגיה פוטו-וולטאית באתר הגן הסולארי
• Ana Almerini, Where is solar power used the most?, SolarReviews
• אנרגיה סולארית בישראל, באתר Electric.org.il
• אנרגיה סולארית, באתר גלובס